Mise en mouvement Transport S.CALLEA Lycée Gay-Lussac Programme Term STI2D/Term STL 23 Mai 2012 S.CALLEA Lycée Gay-Lussac

Programme de Terminale STI2D et Terminale STL Mise en mouvement Notions et contenus Capacités exigibles Transformation chimique et transfert d’énergie sous forme électrique. Piles, accumulateurs, piles à combustible Citer les caractéristiques des piles et leurs évolutions technologiques. Identifier l’oxydant et le réducteur mis en jeu dans une pile à partir de la polarité de la pile ou des couples oxydant/réducteur. Ecrire les équations des réactions aux électrodes. Expliquer le fonctionnement d’une pile, d’un accumulateur, d’une pile à combustible. Utiliser le modèle de la réaction pour prévoir la quantité d’électricité totale disponible dans une pile. Associer charge et décharge d’un accumulateur à des transferts et conversion d’énergie. Définir les conditions d’utilisation optimales d’une batterie d’accumulateurs : l’énergie disponible, le courant de charge optimum et le courant de décharge maximal.

Evolution historique des piles 1780 - 1800 L.Galvani observe que des cuisses de grenouilles fixées à des fils de cuivre soubresautent dès que le cuivre est en contact avec du fer. 1800 Pile Volta : A. Volta invente la première pile produisant un courant continu en réalisant un empilement de rondelles alternativement de cuivre, de zinc, de cartons imbibés d’eau salée. 1836 Pile Daniell : J.Daniell invente la pile Daniell avec un compartiment contenant une électrode de cuivre plongeant dans une solution de sulfate de cuivre et dans un autre compartiment du zinc plongeant dans une solution de sulfate de zinc. 1859 Accumulateur de Gaston Planté : Gaston Planté utilise des électrodes en plomb plongées dans l’acide sulfurique. Il peut ainsi recharger aisément un système capable de stocker l’énergie électrique 1867 Pile Leclanché ou pile saline : Piles encore utilisées en zinc/charbon. L’électrolyte est du chlorure d’ammonium autrefois appelés sel.

Evolution historique des piles 1977 Pile au Lithium : Piles dites plates utilisées dans les appareils ne consommant pas beaucoup de courant mais dont l’autonomie doit être grande. Avenir ? Pile à combustible : Découverte dès 1840 par Sir H.Davy. Il faut attendre le développement de l’aérospatiale (missions Apollo) pour voir le développement de ces piles. A partir de dihydrogène et de dioxygène, il y a formation d’eau et simultanément apparition d’un courant électrique.

Intérêt des piles et des accumulateurs Pourquoi des piles ou des accumulateurs ? Le stockage de l’énergie électrique n’est pas possible directement. Nécessité de transformer l’énergie électrique en une autre forme d’énergie qui pourra par la suite restituer l’énergie électrique. Une des voies de stockage de l’énergie électrique est l’énergie chimique. Piles et accumulateurs permettent également une autonomie de certains appareils.

Description d’une pile Une pile : générateur électrochimique permettant de transformer l’énergie chimique en énergie électrique. 2 couples Oxy/Red mis en jeu avec 2 conducteurs (souvent les réducteurs) Exemple : Pile Daniell Une solution ionique (appelée électrolyte) assure la conduction électrique Echange d’électrons Courant électrique Couple Ox1/red1 Couple Ox2/red2 Pas d’échange direct d’électrons entre les couples

Différences et analogies entre pile et accumulateur Pile  Accumulateur Stockage d’énergie sous forme chimique Générateur d’énergie électrique et de courant continu Quand l’un des réactifs est épuisé, la pile est inutilisable  Pas de possibilité de recharge. Stockage d’énergie sous forme chimique Générateur d’énergie électrique et de courant continu Possibilité de recharge en le branchant à une source d’énergie.

Fonctionnement d’une pile Identifier l’oxydant et le réducteur mis en jeu dans une pile à partir de la polarité de la pile. Ecrire les équations des réactions aux électrodes. Méthode : Ecrire les couples de la bornes + et – sous la forme Ox/red Borne - : Zn2+/Zn Borne + : Cu2+/Cu  Vu la polarité de la pile, prévoir le sens de circulation des électrons et du courant

Fonctionnement d’une pile Identifier l’oxydant et le réducteur mis en jeu dans une pile à partir de la polarité de la pile. Ecrire les équations des réactions aux électrodes. Réactions aux électrodes : L ’électrode qui reçoit les électrons doit les consommer, elle est le siège d’une réduction : Ox + ne- = Red Ex: Cu2+ + 2e- = Cu(s) Cu2+ : oxydant intervenant L’électrode dont partent les électrons doit les former, elle est le siège d’une oxydation : Red = Ox + ne- Ex: Zn(s) = Zn2+ + 2e-  Zn : réducteur intervenant Equation de la réaction globale de fonctionnement de la pile : On supprime les électrons par combinaison linéaire soit : Cu2+ + Zn(s)  Cu(s) + Zn2+

Décharge d’un accumulateur  Accumulateur = Générateur Fonctionnement d’un accumulateur Décharge d’un accumulateur  Accumulateur = Générateur - + Couples intervenant : PbO2/PbSO4 et PbSO4/Pb  Vu la polarité de la pile, prévoir le sens de circulation des électrons et du courant

 Réactions aux électrodes : Fonctionnement d’un accumulateur  Réactions aux électrodes : L ’électrode qui reçoit les électrons  réduction : Ox + ne- = Red Soit : PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e- = PbSO4(s) + 2H2O PbO2 : oxydant intervenant L’électrode dont partent les électrons  oxydation : Red = Ox + ne- Soit : Pb(s) + SO42- = PbSO4(s) + 2e-  Pb(s) : réducteur intervenant  Equation de la réaction globale de fonctionnement de la pile : Pb(s) + PbO2 + 2SO42- + 4H+  2PbSO4(s) + 2H2O

Charge d’un accumulateur  Accumulateur = Récepteur Fonctionnement d’un accumulateur Charge d’un accumulateur  Accumulateur = Récepteur Couples intervenant : PbO2/PbSO4 et PbSO4/Pb  Le générateur impose le sens de courant ou le sens de circulation des électrons.

2PbSO4(s) + 2H2O  Pb(s) + PbO2 + 2SO42- + 4H+ Fonctionnement d’un accumulateur  Réactions aux électrodes : L ’électrode qui reçoit les électrons  réduction : Ox + ne- = Red Soit : PbSO4(s) + 2e- = Pb(s) + SO42- PbSO4 : oxydant intervenant L’électrode dont partent les électrons  oxydation : Red = Ox + ne- Soit : PbSO4(s) + 2H2O = PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e-  PbSO4(s) : réducteur intervenant  Equation de la réaction globale de fonctionnement de la pile : 2PbSO4(s) + 2H2O  Pb(s) + PbO2 + 2SO42- + 4H+

Générateur électrique Accumulateur Transfert d’énergie électrique Décharge de la pile Récepteur électrique Pile Décharge Récepteur électrique Accumulateur Charge Générateur électrique Accumulateur

Fonctionnement d’une pile à combustible H2 = 2H+ + 2e- O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O 2H2 + O2 = 2H2O

Caractéristiques d’une pile On distingue pour une pile : Force électromotrice (fem) ou tension à vide : Quand I = 0 (circuit ouvert), fem = V+ - V- Unité : V Quand la pile débite, cette différence de tension varie.

t : durée d’utilisation maximale théorique en s Caractéristiques d’une pile Capacité disponible : quantité d’électricité disponible Q est la quantité maximale d’électrons pouvant circuler On cherche le réactif limitant de la pile On cherche la relation : On obtient quantité maximale l’électrons pouvant être échangés par : Q = ne.F (F : constante de Faraday C.mol-1, F = 96500 C.mol-1) Autres expression de la capacité disponible si I = const : Q = I.t avec I : courant en A t : durée d’utilisation maximale théorique en s Unités de Q : C ou Ah avec 1 Ah = 3600 C

Caractéristiques d’une pile Durée de fonctionnement d’une pile : t = Q/I Unité : s

Caractéristiques d’une pile Energie disponible W ou capacité énergétique : énergie que le système électrochimique peut délivrer W = Qmax.E Unité : W = Qmax.E ou W = Qmax.E J C V Wh Ah V Energie volumique, énergie massique : L’énergie volumique d’une pile est l’énergie que cette pile peut fournir par unité de volume. Unité : Wh.cm-3 avec 1 Wh = 3600 J L’énergie massique d’une pile est l’énergie que cette pile peut fournir par unité de masse. Unité : Wh.kg-1 avec 1 Wh = 3600 J

Conditions d’utilisation d’un accumulateur Batterie d’accumulateurs : association en série d’accumulateurs Courant maximal : Courant que peut délivrer la batterie pdt t court  Capacité : quantité d’électricité maximale en Ah (1 Ah = 3600 C)  Capacité énergétique : Qmax.E = 74.12 = 888 Wh  Tension nominale U = fem